航空航天领域五轴数控加工：交付可靠且符合规范的零部件 | LS Manufacturing

5 轴数控加工适用于航空航天、医疗器械和高品质机械，解决了工程师在处理与曲面加工、多角度加工和3 轴加工中的多种配置相关的复杂作业时遇到的问题，这些问题会导致误差累积，而当工程师决定手动加工时，则无法像大规模生产那样保证精度和效率。

这些技术的基本原理源于传统方法的局限性，传统方法无法在一个系统中精确加工复杂形状。正如本指南稍后将阐述的那样，五轴数控加工技术通过在两个旋转轴上控制刀具方向，为复杂零件的制造带来了创新。

快速参考指南：航空航天五轴数控加工

航空航天领域的五轴数控加工正在革新制造业，解决复杂性、精度和效率方面的核心挑战。对于航空航天工程师而言，与拥有AS9100 数控加工认证的 LS Manufacturing 等合作伙伴在五轴技术方面开展合作至关重要，这有助于实现创新设计、满足严格的公差要求，并优化从原型到高性能最终零件的整个制造流程。

为何信赖本指南？来自 LS 制造专家的实践经验

请相信本指南，因为它出自航空航天制造领域的尖端实践。事实上，我们的团队每天都要面对精密航空航天零件的加工，例如涡轮叶片和飞机结构件。在这些零件中，五轴加工路径的微米级公差要求并非可有可无，而是确保飞机零件安全性和可靠性的CNC加工的绝对必要条件。本指南提供的信息并非纸上谈兵，而是我们克服航空航天公差要求和材料挑战的直接经验。

我们的优势源于在为关键任务应用提供关键部件方面取得的卓越成就。为此，我们严格遵循ISO 13485医疗器械质量管理标准，并将这种高度的流程控制延伸至航空航天应用产品的生产中。此外，我们对质量的重视还包括借鉴美国表面处理协会（NASF）等权威机构的最佳实践，以确保高性能产品拥有最佳的表面完整性和使用寿命。

本指南提供切实可行且经实战检验的建议。我们将从处理复杂任务（例如钛材料加工的最佳速度和进给量，以及确保动态五轴铣削过程中薄壁结构的稳定性）中积累的经验和知识转化为实用技巧。每一条建议都旨在帮助您更好地应对航空航天加工中的挑战。

图 1：LS Manufacturing 公司精密制造大型航空部件

五轴数控机床如何通过两个旋转轴实现复杂加工？

由于产品形状的特殊性，三轴数控机床的使用存在一定的局限性。这是因为其他两个轴提供了灵活性，可以精确控制刀具的位置，而三轴数控机床则无法做到这一点。这项技术虽然是最基本的进步，但它使操作人员能够在一次加工中同时生成轮廓和角度；这解决了制造复杂航空航天部件时遇到的一个主要难题。以下是该工艺流程的图示说明：

增强的机器配置和轴组成：

五轴数控机床通常采用两种配置：一种是旋转轴位于工作台上的回转式，另一种是旋转轴位于主轴上的回转头式。其核心原理是利用三个标准的线性运动轴（X、Y、Z）以及两个旋转轴。常见的轴对组合是A轴（绕X轴旋转）和C轴（绕Z轴旋转），或者B轴和C轴。这种组合是五轴数控加工实现复杂制造的基础，因为它提供了必要的自由度。

刀具方向优化以实现最佳切削动力学

这将需要利用两个旋转轴来调整刀具的方位，这两个旋转轴负责确定刀具相对于切削面的位置。通过这种方式，可以将刀具定位在最佳切削位置，并可进一步旋转刀具以确保最佳切削条件。这是五轴数控加工中不可或缺的考虑因素，尤其是在深腔的最佳切削和最佳排屑方面。

在一个加工周期内加工复杂特征

随着动态加工刀具的出现，加工零件很快就能实现各个方向的轻松加工。借助这项技术，在航空航天涡轮机机身结构中加工复杂特征（包括必要的内部通道）将变得轻而易举，一次加工周期即可完成。使用先进的五轴数控机床加工航空航天涡轮机机身零件也将很快成为必然之选。

效率和精度特性

这些机器运行平稳，这得益于其连续的五轴加工。这使得加工速度更快，最终表面光洁度更高。此外，由于上述机器只需一次装夹即可完成加工，整个加工过程不受因加工多个目标位置所需距离而产生的标准公差的影响。这使得最终产品在整个加工过程中展现出更高的几何精度。五轴数控加工服务带来了高效性和高精度。 该系统使这一过程具有革命性意义。

事实上，这两个旋转轴和三个线性轴的组合赋予了切削刀具前所未有的运动自由度。这使得切削刀具能够实现最佳的定向和定位，并可在各个方向上进行阶梯式和连续式加工，从而解决了一次性加工出高精度形状的难题。

与三轴加工相比，五轴技术能带来哪些颠覆性优势？

三轴加工被证明是一个线性过程，一个瓶颈过程，尽管它本质上是一个曲线加工过程。即使将两个旋转轴合并在一起，如五轴加工过程所示，这也不是一件简单的转换，而是一种范式转变，因为它增加了一个新的灵活性维度，并开启了一个充满无限可能的新世界。 五轴加工技术的出现所带来的优势如下：

总而言之， 五轴数控加工零件的优势具有变革性意义。从利用五轴数控技术制造以往难以想象的复杂几何形状零件，到确保无与伦比的精度，这项技术能够带来决定性的竞争优势。这使得五轴数控加工成为以最佳效率和可靠性生产高价值、高复杂度零件的不可或缺的解决方案。

哪些类型的零件必须使用五轴数控加工进行加工？

五轴数控加工中心能够将刀具定位在所需的任意位置；这在需要加工具有倒角和曲面等复杂形状的特定情况下，往往是一项常见的需求。五轴数控加工中心可加工的零件包括：

总而言之，五轴数控加工零件属于“关键任务”零件，其质量和精度要求极高，因此其完整性至关重要。无论是复杂的五轴数控制造，还是五轴数控铣削零件，这都是实现复杂设计功能的关键途径。

图 2：LS Manufacturing 公司采用精密五轴数控铣削技术加工关键航空航天铝制部件。

如何确定您的项目是否需要投资五轴数控加工？

除了零件复杂程度问题外，与五轴加工相关的决策都属于策略范畴，并包含项目的其他要求。在这种情况下，采用结构化的方法至关重要。下文将讨论一些关键因素，以帮助您在项目实施过程中选择合适的制造策略。

零件几何形状和复杂度

首要指标是几何必要性。您的设计是否包含深腔、倒扣、复合角度或复杂的三维曲面，例如有机形状或涡轮叶片？如果这些特征需要在三轴机床上进行多次复杂的夹具和设置，那么五轴数控加工就至关重要。它能够实现一次装夹完成加工，将多步骤、易出错的流程简化为精简的操作，这正是先进制造的核心优势。

精度和公差规格

如果对公差量有具体规定，并且被加工的零件没有放置在平行面上，那么由于数控机床上的三轴加工程序而产生的定位误差总量是不可接受的；但是对于五轴数控零件加工程序，零件的定位是由机器自身在一个夹具内完成的，这意味着定位过程没有任何误差，并且非常精确。

生产成本与总成本比较

当然，小时成本不应也绝不能仅仅为了比较而进行评估。在原型制作、小批量生产和中批量生产中，单次装夹加工的优势完全可以抵消数控加工中心略高的成本。然而，其他成本的总拥有成本很可能会表明，对于合适的产品而言，五轴数控加工速度更快、成本更低。

材料和二次加工效果

评估其效果。事实上，采用单次加工方法即可实现的成品不仅速度快，而且精度高，无需借助二次加工即可达到此效果。但需要注意的是，真正带来显著优势的是，在五轴机床上使用刀具的最佳加工点，这将对钛合金和因科镍合金等高韧性材料产生显著影响。因此，从刀具整个使用寿命期间的成本来看，这将是一个非常合理的选择。

这篇关于5轴CNC 零件指南的文章强调了与LS Manufacturing 5轴加工的专业人员互动的重要性，因为在需要复杂设计并满足特定要求和取得相关成果的情况下，互动不是额外的业务成本，而是业务投资。

图 3：LS Manufacturing 公司用于飞机结构件的精密多轴数控铣削

航空发动机叶片盘五轴加工案例研究：LS Manufacturing如何克服薄壁叶片变形问题

整体叶盘的生产活动正是采用五轴数控技术进行复杂制造的典型代表。这里的“精度”通常等同于“质量” 。接下来，我们将深入探讨公司面临的挑战性任务以及所采用的技术，这些技术体现了为应对这一高难度生产任务而应用的最新技术创新。

客户挑战

客户提出的问题与公司主要航空航天客户生产的高温合金整体叶盘的加工有关。这种悬臂式结构、叶片间隙小的薄叶片整体叶盘加工面临的挑战主要在于传统三轴加工产生的振动和颤动。这是因为加工过程中叶片会发生变形和减薄，而整体良率仅为60% ，这意味着产品存在缺陷，因为这关系到主要航空航天客户的利益。

LS制造解决方案

为了克服这个问题，参与LS Manufacturing五轴加工系统开发的团队决定采用三轨加工方案，并利用高精度五轴联动加工中心进行加工。相关的CAM软件演示了如何利用最优恒定刀具路径运动和固定的最佳切削角度，来克服加工过程中径向切削力过大的问题。

结果与价值

这是一项极具变革意义的活动。叶片轮廓的公差保持在0.05毫米，零件合格率的提升幅度惊人，从不足60%跃升至98%。此外，由于工艺优化，总加工周期缩短了20% 。这项活动对于成功交付至关重要的五轴数控机床零件订单起到了至关重要的作用，最终为相关客户的下一代发动机开发项目带来了极具价值的成果。

这是一个典型的例子，说明技术问题如何被用来创造更关键的制造产品。另一个不容忽视的重要因素是，在要求极高的应用领域，应用领域的知识与世界一流且高度复杂的技术密不可分——正如LS Manufacturing的航空航天项目那样。

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在选择五轴数控加工服务供应商时，应该重点关注哪些核心能力？

选择合适的五轴数控加工服务供应商至关重要，它直接影响着您高复杂度项目的成功。五轴数控加工服务的能力不仅仅取决于是否拥有先进的设备，更在于技术、技能和严格的流程控制在实践中的全面整合。本五轴数控零件指南概述了需要评估的关键能力，以确保您的合作伙伴能够将复杂的设计转化为完美无瑕且功能齐全的零件。评估供应商时需要重点关注的核心能力包括：

1. 先进的设备和技术精度： 其产品组合包括品牌、型号、编号的五轴设备，但最重要的是，这些设备都经过了定位精度和重复性的验证。只有来自顶级制造商、性能卓越且维护良好的机器才能满足制造高精度五轴数控机床零件和确保产品质量一致性的严格要求。
2. 精通编程和仿真：在讨论这一方面时，必须指出编程技能能够提升加工能力。因此，可以说CAM编程领域需要高技能人员。凭借这些技能，他们能够模拟复杂的加工路径。五轴加工需要仿真软件才能成功生产出首批零件。
3. 有据可查的工艺经验和材料知识：理论上行之有效的方法需要在实践中得到验证。 仔细审查供应商在加工类似几何复杂度零件方面的经验，尤其要关注他们是否具备加工您所需特定材料（例如航空铝、钛或因科镍合金）的经验。过往业绩通常是预测团队能否有效克服五轴数控加工中各种特殊挑战的最佳指标，从刀具选择到切削参数优化，无一例外。
4. 计量与质量保证：由于零件的公差有限，其尺寸也必须符合严格的公差要求。这就需要一个闭环系统。因此，需要对零件进行机上测头、激光刀具设定和三坐标测量机（CMM）检测，以确保零件获得所需的公差信息。

在选择五轴数控加工服务供应商时，评估其技术环境、知识水平和对质量的执着追求并非易事。这三者是充分发挥机床性能、实现产品生产效率的关键。考虑到所有项目都必须确保成功，与像LS Manufacturing这样的五轴加工技术专家合作，即使在从概念构思到最终产品交付的整个过程中，也意味着拥有成功的可能性。

五轴数控加工的成本值得吗？如何分析其真正的投资回报率？

人们对五轴数控加工成本的认知通常仅限于其相比三轴加工更高的初始小时费率。然而，真正的评估需要超越这一单一指标，从整体角度出发。其价值在于能够简化整个制造流程，并为合适的项目带来更高的整体投资回报率 (ROI)，正如这篇五轴数控零件终极指南中所阐述的那样。以下是分析五轴技术真正投资回报率的框架：

• 流程整合带来的直接成本节约：最直接的经济效益源于流程的显著整合。通过一次装夹完成零件加工，省去了多个夹具的成本，减少了重新定位所需的机器和人工工时，并大幅缩短了相关的编程和设置时间。这种直接的效率提升通常可以抵消更高的每小时成本，从而使零件总成本更具竞争力，甚至更低。
• 质量和良率对总体成本的影响：质量的提升可直接节省成本。单次装夹加工显著降低了累积公差误差，从而直接降低了废品率和返工率。更高的精度和表面光洁度通常也能减少甚至消除昂贵的二次精加工工序。一次合格率的提升是五轴数控零件优势的关键组成部分，可直接改善企业的盈利状况。
• 加速产品上市：五轴加工显著缩短了生产周期。从设计到成品零件的快速周转，加快了产品开发速度，使产品更快上市，并提高了响应速度。这种时间价值，包括在制品库存的减少，代表着一项巨大的、但往往被忽视的财务优势，它能提升整体投资回报。
• 创新赋能与产品性能：成本效益分析也可应用于其他会计相关领域。五轴加工技术已被应用于最终产品的生产，该产品比以往更轻、更坚固。这种最终产品无法通过现有生产流程生产。因此，成本效益分析不能作为生产成本的依据。

因此，为了确保五轴数控加工设备的投资回报率，必须进行全面的投资回报率分析。这意味着通常情况下，必须对效率、创新和产品质量进行投资。考虑到完全集成加工、大幅缩短生产时间和优化产品所带来的所有优势，如果选择五轴数控机床是一种高度经济的方案，那么可以认为这是一种非常经济的做法。

图 4：采用激光烧结技术制造航空航天超精密零部件的工艺流程

与 LS Manufacturing 合作开展的 5 轴加工项目的典型流程是什么？

启动五轴数控加工流程本身就必然需要广泛的开放式合作，才能确保该项目的成功完成。就本文分析中的LS Manufacturing案例而言，我们将结合阶段性流程和协作流程，并参考我们自身在概念设计到实施阶段的经验，制定一套适用于贵方的合作方案。以上描述旨在说明该合作流程将包含以下内容：

1. 初步咨询与数据审核：项目成功后，我们将启动详细的技术沟通流程。我们非常重视充分理解您的性能要求、材料要求以及公差要求。此时，您很可能会向我们发送CAD图纸；我们的工程师将在此阶段开始初步可行性咨询，并启动我们的五轴数控加工合作流程。
2. 面向制造的设计与工艺规划：这一关键阶段能够释放价值。我们的工程师提供免费的面向制造的设计分析，针对五轴加工，提出在可制造性、强度和成本效益方面的优化建议。随后，我们将制定并提交详细的制造工艺方案，包括夹具策略、刀具选择和初步时间表，从而构成生产蓝图。
3. 编程、仿真和审批：精准度始于我们作为企业在计算机屏幕上进行编程和仿真的那一刻。我们为CAD/CAM软件配备了经验丰富的程序员，他们致力于优化路径运动，确保无碰撞。我们先进的软件能够模拟金属材料的切割过程；因此，在开发出第一个金属产品之前，我们就能预览整个流程，从而为LS Manufacturing的五轴加工奠定基础。
4. 首件生产与检验：从数字到实物，精准无误。因此，这包括按照严格的流程生产首件，即根据这些要求对首件进行加工。之后，首件将通过三坐标测量机 (CMM) 和其他计量设备进行全面检验。由此收集的数据将汇总并记录在首件检验报告中，该报告将提交给您审阅和批准，以确保透明度并确保所有要求均已得到满足。
5. 全面生产及质量保证：在此阶段，我们将正式开始生产您的订单。在我们公司，质量保证与生产同步进行，但不会在产品完成后进行验收测试。质量保证将分别通过生产现场的统计过程控制和我们内部的检验来确保。
6. 交付及售后支持：最后，我们想总结一下交付和售后支持服务。我们不仅能够妥善处理您那边的交付事宜，确保货物安全送达，还能协助您处理所有与零件相关的文书工作，并在您遇到任何与组装和产品部件相关的问题时提供帮助。

总而言之，与LS Manufacturing 五轴加工中心合作意味着您将参与一个严谨、协作且透明的工作流程，该流程旨在确保项目的确定性。正如本五轴数控零件终极指南中所详述的，这种经过验证的五轴数控协作流程能够将复杂的制造挑战转化为可靠、高性能的成果，并持续应用于每一个项目中。

常见问题解答

1. 五轴加工所能达到的最高精度是多少？

在最佳情况下，我公司生产的五轴数控机床能够将物体定位到±0.01毫米甚至更小的精度。这种定位精度是可以实现的；具体精度取决于物体的尺寸、材质以及刚度。

2. 五轴加工的最小订购量（MOQ）是多少？

我们灵活的最低起订量要求，从单次原型制作到大批量订单均可满足。无论是研发验证样品还是大批量产品订单，无论您的项目处于哪个阶段，我们都能满足您的需求。

3. 提交图纸后多久才能收到报价？

通常情况下，如果我们需要为您询价生产这些复杂的五轴加工零件，需要1-2天的时间进行报价处理。此外，为了方便我们收集项目信息，报价流程也会包含在报价单中。

4. 你们提供加工过程中的测量和补偿吗？

是的，没错。例如， 五轴加工中心将集成雷尼绍测头系统。因此，可以计算加工过程中所需的尺寸。加工过程中使用的切削刀具也可以进行补偿。

5. 我的设计文件是否需要针对五轴加工进行特殊准备？

您只需提供完整的三维模型（STEP 文件），剩下的工作都交给我们。因为我们的工艺工程师会自行完成所有DFM 分析和五轴加工。我们也会按照这种方式优化您的模型。

6.五轴加工适用于所有类型的材料吗？

我们提供的加工服务涵盖多种材料和合金，例如铝合金、高温合金、钛合金、不锈钢和工程塑料。我们将乐于根据您的具体要求，推荐合适的材料和相应的加工工艺。

7. 如何保证复杂曲面零件的表面质量？

这样做的目的是为了在处理最佳切削参数值以及刀具步距和步距值时，针对曲线的所有可能几何形状获得表面光洁度。

8. 新客户如何开始他们的第一个五轴加工项目？

关于您的情况，您只需通过我们的网站或电话联系我们即可。之后，我们的项目工程师将负责所有后续事宜，包括解答技术相关问题以及根据您的CAD文件下达项目订单。

概括

不仅五轴数控加工是目前唯一可能的先进解决方案，而且是解决精密机械加工复杂任务的唯一可行解决方案。

过去那种因复杂流程而延误生产的日子已经一去不复返了！试想一下，一旦您有机会与LS Manufacturing的五轴加工专家合作，解决生产难题，您将会迎来多少机遇。一切都非常简单。您只需点击上方的“获取免费五轴加工技术方案咨询” ，我们将免费评估其技术可行性，并协助您开发创新方案。

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LS制造团队

LS Manufacturing是一家行业领先的公司，专注于定制化制造解决方案。我们拥有超过20年的经验，服务过5000多家客户，专注于高精度CNC加工、钣金制造、 3D打印、注塑成型、金属冲压以及其他一站式制造服务。
我们工厂拥有超过100台最先进的五轴加工中心，并通过了ISO 9001:2015认证。我们为全球150多个国家和地区的客户提供快速、高效、高质量的制造解决方案。无论是小批量生产还是大规模定制，我们都能在24小时内以最快的速度满足您的需求。选择LS Manufacturing，意味着选择高效、优质和专业。
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